低溫甲醇洗裝置設(shè)計(jì)工況全流程模擬

卜令坤

(神華寧煤集團(tuán)煤炭化學(xué)工業(yè)公公司質(zhì)檢計(jì)量中心 寧夏 靈武 750411)

0 引言

低溫甲醇洗工藝具有十幾個(gè)回路、六十多個(gè)單元、近百個(gè)流股，系統(tǒng)工藝復(fù)雜，回路眾多，使用通用模擬軟件系統(tǒng)進(jìn)行全流程模擬收斂十分困難，鑒于此，作者在認(rèn)真分析了全流程工藝流程圖的基礎(chǔ)上，自主規(guī)定了斷裂流股、收斂模塊以及收斂順序等，并修改了斷裂流股收斂參數(shù)、收斂方法參數(shù)以及計(jì)算順序收斂參數(shù)等，以確保低溫甲醇洗系統(tǒng)全流程順利收斂；并且由于過程單元模塊模擬產(chǎn)生的誤差在全流程模擬中逐級(jí)放大，對(duì)部分過程單元模型參數(shù)包括設(shè)備參數(shù)和操作條件也進(jìn)行了適當(dāng)修改，以保證模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)盡量吻合。

1 低溫甲醇洗系統(tǒng)全流程模擬流程收斂及收斂方法選擇

一般說來，使用序貫?zāi)K法進(jìn)行全流程模擬需要首先完成以下工作：

（1）選擇斷裂流股。斷裂流股就是由循環(huán)所確定的具有組分流、總摩爾流、壓力和焓的循環(huán)流股。它可以是一個(gè)回路中的任意一個(gè)流股。

（2）定義收斂模塊，使斷裂流股、設(shè)計(jì)規(guī)定或最優(yōu)化問題收斂。 收斂模塊決定了由斷裂流股或設(shè)計(jì)規(guī)定所控制變量的估計(jì)值如何在迭代過程中更新。 每個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)定和斷裂流股都有一個(gè)相關(guān)的收斂模塊。

（3）確定計(jì)算順序，即一個(gè)包括所有單元操作和收斂模塊的次序。

通用模擬系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)確定斷裂流股、 收斂模塊以及計(jì)算順序等，以確保所有回路均被斷裂。 然而往往由于系統(tǒng)回路眾多，通用模擬系統(tǒng)默認(rèn)的收斂參數(shù)以及由此確定的斷裂流股、收斂模塊以及計(jì)算順序等并不能保證系統(tǒng)順利收斂。為此，往往需要用戶自主規(guī)定斷裂流股、收斂模塊以及收斂順序等，并修改斷裂流股收斂參數(shù)、收斂方法參數(shù)以及計(jì)算順序收斂參數(shù)等，以確保模擬流程順利收斂。

如果模擬流程中循環(huán)流股過多，對(duì)斷裂流股的初始估測(cè)往往有助于收斂，尤其是對(duì)帶有封閉回路或再循環(huán)溶劑回路的循環(huán)系統(tǒng)如低溫甲醇洗系統(tǒng)。因此，針對(duì)設(shè)計(jì)工況，用戶可以對(duì)斷裂流股直接使用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)作為初始值；針對(duì)未知工況，用戶則可以根據(jù)工藝知識(shí)、簡(jiǎn)單物料衡算以及單個(gè)過程單元改造工況的模擬結(jié)果等對(duì)斷裂流股提供較合理的初始估測(cè)值。

由于模擬流程的復(fù)雜性，所選擇的收斂方法往往并不能導(dǎo)致計(jì)算模塊迅速收斂，甚至往往導(dǎo)致計(jì)算模塊發(fā)散。因此，收斂方法的選擇對(duì)模擬計(jì)算十分重要。 為了能使計(jì)算模塊迅速而準(zhǔn)確地收斂，通用模擬系統(tǒng)提供了多種收斂方法， 包括WEGSTEIN 法、DIRECT 法、SECANT法、BROYDEN 法以及NEWTON 法等，這些方法不僅可以收斂多股斷裂流股，而且可以收斂帶有設(shè)計(jì)規(guī)定的斷裂流股。

由于低溫甲醇洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況以及改造工況的全流程模擬，并不是針對(duì)最優(yōu)化問題的模擬， 也不存在含有單個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)定的流程組合，所以收斂方法無需考慮COMPLEX、SECANT、SQP 方法。 而在其余的收斂方法中，直接迭代法DIRECT 是收斂法中最基本的方法，收斂效率低，因此一般不使用該法；NEWTON 法用于流程中循環(huán)回路和設(shè)計(jì)規(guī)定高度相關(guān)的情況，但收斂速度慢，有時(shí)還不收斂。 因此，僅當(dāng)系統(tǒng)所含組分?jǐn)?shù)很少或不能通過其它方法實(shí)現(xiàn)收斂時(shí)，使用NEWTON 法；BROYDEN 法和NEWTON 法相似，但它使用了線性近似的方法，因此收斂更快， 但是有時(shí)不如牛頓法可靠；WEGSTE 方法是斷裂流股收斂最快、最可靠的方法，是直接迭代法的一種外推。該法可以用于任意數(shù)目的斷裂流股，是通用模擬軟件的默認(rèn)收斂方法。

由此可見，對(duì)低溫甲醇洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況的模擬，由于不存在著設(shè)計(jì)規(guī)定的收斂，因此推薦采用WEGSTEIN 法用于計(jì)算模塊的收斂；而改造工況的模擬，往往存在著設(shè)計(jì)規(guī)定的模擬，因此在采用WEGSTE創(chuàng)法不能收斂，或者存在多個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)定時(shí)，可以采用BROYDEN 法或NEWTON 法用于收斂模塊的收斂。

低溫甲醇洗系統(tǒng)過程單元龐大且回路眾多。使用通用模擬軟件系統(tǒng)進(jìn)行全流程模擬，如果采用系統(tǒng)默認(rèn)的收斂參數(shù)以及由此確定的斷裂流股、收斂模塊以及計(jì)算順序等并不能保證系統(tǒng)順利收斂，實(shí)際的模擬計(jì)算結(jié)果也表明這一點(diǎn)。 因此，作者根據(jù)低溫甲醇洗工藝全流程信息流程圖，自主規(guī)定了斷裂流股、收斂模塊以及收斂順序等，并修改了斷裂流股收斂參數(shù)、收斂方法參數(shù)以及計(jì)算順序收斂參數(shù)等。

2 低溫甲醇洗系統(tǒng)全流程模擬計(jì)算結(jié)果

在成功完成低溫甲醇洗系統(tǒng)各個(gè)過程單元設(shè)計(jì)工況模擬與分析的基礎(chǔ)上，將模擬所確定的適宜模型參數(shù)包括單元操作模型、物性計(jì)算方法以及設(shè)備參數(shù)和操作參數(shù)等輸入全流程模擬系統(tǒng)中的對(duì)應(yīng)過程單元中，然后確定收斂參數(shù)、斷裂流股、收斂順序等，就可以進(jìn)行全流程模擬了。模擬結(jié)果表明：低溫甲醇洗設(shè)計(jì)工況全流程順利收斂，模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)吻合良好，現(xiàn)將主要流股結(jié)果列于表1 所示：

表1 關(guān)鍵流股的模擬結(jié)果及其與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比

從模擬結(jié)果可以看出， 主要流股的模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)吻合良好。主要流股的溫度絕對(duì)誤差一般在2℃以內(nèi)，只有極個(gè)別絕對(duì)溫差超過2℃，但最大絕對(duì)誤差不超過3℃；主要流股的流量相對(duì)誤差一般在3%以內(nèi)，當(dāng)然有少數(shù)流股流量相對(duì)誤差較大如<140>號(hào)流股；主要流股的組成與設(shè)計(jì)值吻合不錯(cuò)， 如38、11 以及24 等與設(shè)計(jì)值吻合都良好，且誤差一般都在5%以內(nèi)，當(dāng)然仍有極少量流股如<15>號(hào)乏氣流股的組成與設(shè)計(jì)值偏差較大，CO2含量模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差達(dá)到7.5%，但由于<15>號(hào)流股摩爾流量很小，CO2組分摩爾流量絕對(duì)值相差并不大，而且<15>號(hào)是由幾種燃料氣混合而成的乏氣，其中任何一個(gè)燃料氣流量的改變就會(huì)極大的影響<15>號(hào)流股中CO2含量，因此<15>號(hào)流股出現(xiàn)較大誤差是允許的，也是很難避免的。當(dāng)然，由于全流程模擬時(shí)的誤差放大，各個(gè)過程單元輸出流股的模擬結(jié)果相比于單個(gè)過程單元的模擬結(jié)果必然要差一些。全流程模擬的好處就是即使各別流股及單元的模擬與設(shè)計(jì)值有差別，但是由于系統(tǒng)內(nèi)部整體的質(zhì)量和能量守恒，使用通用模擬軟件在模擬全流程時(shí)仍然可以進(jìn)行多次調(diào)整，從而使計(jì)算結(jié)果是與模擬值相同。

由于通用模擬系統(tǒng)物性計(jì)算方法及其默認(rèn)二元交互作用參數(shù)對(duì)低溫甲醇洗系統(tǒng)存在著一定偏差，部分流股模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)仍然存在著一定的偏差，為此，可以進(jìn)一步優(yōu)化過程單元模型參數(shù)，如在全流程模擬條件下，由于各個(gè)過程單元的輸入流股模擬數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值存在一定的差距，可以適當(dāng)調(diào)整操作參數(shù)(主要是分割器和塔的操作參數(shù))，但最終仍然需要通過實(shí)驗(yàn)手段獲得低溫甲醇洗條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 進(jìn)而回歸得到二元交互參數(shù)，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各個(gè)過程單元操作條件下的物性。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上結(jié)果可以說明，即使低溫甲醇洗系統(tǒng)復(fù)雜、回路眾多，應(yīng)用通用模擬軟件系統(tǒng)仍然能夠成功完成低溫甲醇洗系統(tǒng)全流程的模擬，而且模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)符合良好，說明在通用模擬軟件平臺(tái)上進(jìn)行低溫甲醇洗系統(tǒng)全流程設(shè)計(jì)工況的模擬分析是切實(shí)可行的，模擬結(jié)果基本可以滿足工程設(shè)計(jì)要求，從而為實(shí)現(xiàn)改造方案工藝設(shè)計(jì)與全流程模擬奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］曲平，俞裕國(guó).化工過程模擬與優(yōu)化[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，1998.

［2］姚平經(jīng).過程系統(tǒng)分析與綜合[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2004.